帶孔板超聲波噴丸成形研究

成秋云　張彌濤　吳德軼　李　明

(①中國電子科技集團(tuán)第四十八研究所，湖南 長沙 410111；②湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南 長沙 410205)

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帶孔板超聲波噴丸成形研究

成秋云①②張彌濤②吳德軼①②李明②

(①中國電子科技集團(tuán)第四十八研究所，湖南 長沙 410111；②湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南 長沙 410205)

為探索超聲波噴丸成形技術(shù)對帶孔板鋁合金的單曲率噴丸成形效果，通過對噴丸成形后帶孔板的成形曲率半徑和成形缺陷進(jìn)行研究，分析了帶孔板的噴丸成形特點(diǎn)；構(gòu)建了帶孔板噴丸成形質(zhì)量評估體系；探討了噴丸工藝參數(shù)對帶孔板噴丸成形質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：孔的存在使帶孔板孔周圍殘余壓應(yīng)力得到一定程度的釋放，導(dǎo)致孔區(qū)域曲率半徑變大；采用(5%～10%)D的噴丸孔邊距可以有效避免孔邊緣輪廓的變形,大于1.5 A的電流強(qiáng)度可以顯著的提高噴丸成形能力，3 mm撞針噴丸軌跡間距為1.5～2.4 mm時(shí)帶孔板的噴丸成形效果最佳。

噴丸參數(shù)；殘余應(yīng)力；曲率半徑；孔邊距；噴丸區(qū)域?qū)挾?；電流?qiáng)度

復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)壁板通常帶有減輕孔，裝配孔，工藝孔等結(jié)構(gòu)，在噴丸成形過程中，經(jīng)常發(fā)生孔區(qū)變形、開裂、應(yīng)力集中等問題，主要原因是由于噴丸引入的殘余應(yīng)力場分布導(dǎo)致的，而噴丸后靶材的殘余應(yīng)力場分布與噴丸工藝規(guī)范又有直接關(guān)系[1-2]。本文從噴丸成形工藝的角度探討適合帶孔板噴丸成形的相關(guān)工藝參數(shù)水平，為帶孔板的超聲波噴丸成形提供工藝參考。

國內(nèi)外學(xué)者對超聲波噴丸成形技術(shù)展開了一定程度的研究，主要集中在超聲波噴丸后靶材的殘余應(yīng)力場和成形曲率的研究[3-5]。高琳[6]對板料的超聲波噴丸成形進(jìn)行了探索研究，討論分析噴丸強(qiáng)度、噴丸時(shí)間和撞針直徑等超聲波噴丸參數(shù)對板料彎曲變形的影響。胡凱征等人[7]應(yīng)用等效靜態(tài)載荷溫度場模擬了壁板的噴丸成形整體效果。T. Hong，J.Y. Ooi[8]利用有限元模擬分析了噴丸參數(shù)和噴丸后殘余應(yīng)力場的定量關(guān)系。H.Y. Miao[9]采用Anasys的隱式分析法計(jì)算了噴丸后壁板展向和弦向的弧高值和曲率半徑。但是關(guān)于帶孔板的超聲波噴丸成形研究很少，有待進(jìn)一步的研究。

1　試驗(yàn)條件

1.1試件尺寸

超聲波噴丸試件幾何參數(shù)如圖1，噴丸試驗(yàn)件尺寸160 mm×100 mm×2 mm，圓孔直徑D為60 mm，S為噴丸區(qū)域?qū)挾?，L為噴丸區(qū)域至孔輪廓的徑向距離(孔邊距)，S、L分別取孔直徑D的百分比數(shù)值；噴丸軌跡采用Z形噴丸軌跡。

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案安排如表1。

2　帶孔板噴丸成形特點(diǎn)

2.1曲率變化與殘余應(yīng)力場分布

在對帶孔板進(jìn)行噴丸工藝研究前，先對帶孔板噴丸成形特點(diǎn)進(jìn)行分析，比較帶孔板與不帶孔板在相同噴丸條件下的成形特點(diǎn)。圖2為縱向上各點(diǎn)的橫向曲率和沿板厚深度方向殘余應(yīng)力分布圖。

從圖2中可以看出：(1)帶孔板與不帶孔板在經(jīng)過超聲波噴丸成形后，縱向上各點(diǎn)的橫向曲率半徑并不相等，帶孔板縱向上各點(diǎn)的橫向曲率半徑最大差值為122 mm，不帶孔板縱向上各點(diǎn)的橫向曲率半徑最大差值為146 mm，這說明帶孔板的單曲率成形效果比不帶孔板要好。(2)帶孔板與不帶孔板在噴丸區(qū)域的中間部位(帶孔板在縱向坐-60 mm，60 mm處；不帶孔板在縱向坐標(biāo)為0 mm處)達(dá)到曲率半徑最小值，而在噴丸區(qū)域兩端(帶孔板縱坐標(biāo)-80 mm，-30 mm，30 mm，80 mm處；不帶孔板在縱坐標(biāo)-80 mm，80 mm處)曲率半徑相對較大，主要原因是由于噴丸后殘余應(yīng)力在噴丸區(qū)域中間部位集聚，而在噴丸區(qū)域邊緣部位得到釋放，如圖2b所示。(3)孔的存在使帶孔板在孔周圍(縱坐標(biāo)-50～50 mm處)的橫向曲率半徑大于不帶孔板相應(yīng)部位橫向曲率半徑，并且孔邊緣輪廓會產(chǎn)生一定程度的變形。

2.2成形質(zhì)量評估

試件經(jīng)過噴丸后，由于孔的影響和殘余應(yīng)力場分布的不均勻，導(dǎo)致孔區(qū)域曲率與噴丸區(qū)域曲率不相等，而且在噴丸延展性的作用下，孔邊緣輪廓會產(chǎn)生變形。為了評估帶孔板噴丸成形質(zhì)量，采用以下3種指標(biāo)來衡量噴丸成形質(zhì)量(如圖3所示)：(1)用孔區(qū)域曲率半徑(AB弧曲率半徑)來衡量噴丸成形后帶孔板的成形量。(2)用曲率半徑差值(AB弧曲率半徑與噴丸區(qū)域橫向曲率半徑的差值)來衡量噴丸成形后孔區(qū)域曲率的精度。(3)用圓孔異形度(噴丸成形后孔最大直徑與最小直徑的差值)來表征孔邊緣輪廓的異形程度。

3　噴丸工藝研究

3.1孔邊距L的影響

在噴丸延展性的作用下帶孔板圓孔尺寸會發(fā)生變化，并且孔邊緣材料受到擠壓會向孔內(nèi)移動，導(dǎo)致孔邊緣輪廓變形，并產(chǎn)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響帶孔板的裝配精度和疲勞壽命。通過對不同孔邊距L噴丸成形情況下的孔區(qū)域成形曲率半徑、曲率半徑差值、圓孔異形度的研究，找到適合帶孔板噴丸成形的孔邊距。

通過對圖4結(jié)果分析可以得出：(1)當(dāng)孔邊距L小于5%D時(shí)，孔區(qū)域曲率半徑和曲率半徑差值都較小，帶孔板的成形量大，成形精度高，但此時(shí)圓孔異形度卻達(dá)到最大值1.8 mm，嚴(yán)重影響帶孔板的裝配精度。(2)當(dāng)孔邊距L為(5%～10%)D時(shí)，孔區(qū)域曲率半徑和曲率半徑差值都有所增加，但增加量較小，而且此時(shí)圓孔異形度明顯減小，帶孔板噴丸成形質(zhì)量最理想。(3)孔邊距L大于10%D時(shí)，孔區(qū)域曲率半徑和曲率半徑差值都明顯增大，帶孔板的成形能力與成形精度都受到很大影響。根據(jù)孔邊距對帶孔板成形質(zhì)量的綜合影響分析可得：過大和過小的孔邊距都不利于帶孔板的成形質(zhì)量，選定孔邊距L=(5%～10%)D為帶孔板噴丸成形最佳范圍。

表1試驗(yàn)方案

噴丸參數(shù)參數(shù)水平其他噴丸參數(shù)帶孔板不帶孔板S=30%D,L=0%D,噴丸電流I=1.5A,噴丸軌跡間距為1.5mm,撞針直徑d=3mm?？走吘郘(0～20%)DS=30%D,噴丸電流I=1.5A,噴丸軌跡間距為1.5mm,撞針直徑d=3mm。噴丸區(qū)域?qū)挾萐(10%～80%)DL=5%D,噴丸電流I=1.5A,噴丸軌跡間距為1.5mm,撞針直徑d=3mm。噴丸電流強(qiáng)度0.5～3AS=30%D,L=5%D,噴丸軌跡間距為1.5mm,撞針直徑d=3mm。噴丸軌跡間距0.5～3mmS=30%D,L=5%D,噴丸電流I=1.5A,撞針直徑d=3mm。

3.2噴丸區(qū)域?qū)挾萐的影響

在孔邊距L為5%D的基礎(chǔ)上，探討噴丸區(qū)域?qū)挾葘Э装鍑娡璩尚钨|(zhì)量的影響，為帶孔板噴丸成形時(shí)選擇合適的噴丸區(qū)域?qū)挾忍峁﹨⒖肌?/p>

從圖5可以看出：(1)隨著噴丸區(qū)域?qū)挾鹊脑龃?，孔區(qū)域曲率半徑變小，在S=30%D時(shí)，孔區(qū)域曲率半徑為648 mm，比S=10%D時(shí)曲率半徑減小了39.3%，隨著噴丸區(qū)域?qū)挾鹊倪M(jìn)一步增大，孔區(qū)域曲率半徑緩慢變小并趨于飽和。(2)曲率半徑差值隨噴丸區(qū)域?qū)挾萐的增加而增大，S=80%D時(shí)比S=10%D時(shí)的曲率半徑差值增大了6～8倍，當(dāng)噴丸區(qū)域?qū)挾萐<50%時(shí)，曲率半徑差值小于200 mm，孔區(qū)域成形精度較高。綜合噴丸區(qū)域?qū)挾萐對帶孔板成形質(zhì)量的影響，選取噴丸區(qū)域?qū)挾萐=30%～50%D為帶孔板噴丸成形最佳范圍。

3.3電流強(qiáng)度的影響

探討不同的噴丸電流強(qiáng)度作用下帶孔板的噴丸成形質(zhì)量，為帶孔板噴丸成形選擇合適的噴丸電流強(qiáng)度提供參考。

從圖6分析可得：(1)電流強(qiáng)度對帶孔板成形量影響作用較大，較小的電流強(qiáng)度對帶孔板成形能力有限，電流強(qiáng)度為1.5 A時(shí)比電流強(qiáng)度0.5 A時(shí)孔區(qū)域曲率半徑減小了69.8%，當(dāng)電流強(qiáng)度進(jìn)一步增大時(shí)，孔區(qū)域曲率半徑減小程度變緩；(2)電流強(qiáng)度對曲率半徑差值影響是很小的，電流為3 A時(shí)僅僅比電流為0.5 A時(shí)曲率半徑差值增加了22 mm，原因是由于隨著電流強(qiáng)度的增大，噴丸區(qū)域曲率半徑和孔區(qū)域曲率半徑都減小，而且減小幅度比較接近。綜合電流強(qiáng)度對帶孔板噴丸成形質(zhì)量的影響可得：超聲波噴丸成形時(shí)，為了獲得較小的成形曲率半徑，應(yīng)盡量選取較大的電流強(qiáng)度。

3.4噴丸軌跡間距的影響

對于數(shù)控超聲波噴丸成形，噴丸軌跡間距影響了噴丸覆蓋率，通過分析不同噴丸軌跡間距時(shí)帶孔板的成形質(zhì)量，為選擇合適的噴丸軌跡間距提供參考。

由圖7分析可得:(1)當(dāng)軌跡間距小于1.5 mm時(shí)，孔區(qū)域曲率半徑小于504 mm，噴丸成形能力較強(qiáng)，但此時(shí)曲率半徑差值較大，達(dá)到了為245 mm，主要原因是由于噴丸軌跡間距過小時(shí)，噴丸區(qū)域中間部位殘余壓應(yīng)力集聚過大，產(chǎn)生“凸峰”變形趨勢，曲率半徑差值增大。(2)當(dāng)噴丸軌跡間距大于2.4 mm時(shí)，孔區(qū)域曲率半徑增大較明顯，可見較大的噴丸成形間距不利于噴丸成形能力的提高。綜合噴丸軌跡間距對帶孔板成形質(zhì)量的影響，選取噴丸軌跡間距1.5～2.4 mm為帶孔板噴丸成形最佳范圍。

4　結(jié)語

(1)帶孔板在超聲波噴丸成形時(shí)孔周圍殘余壓應(yīng)力得到一定程度的釋放，使得孔區(qū)域曲率半徑變大，孔區(qū)域曲率半徑與噴丸區(qū)域曲率半徑最大差值變小。

(2)噴丸孔邊距對孔邊緣輪廓形狀影響較大，采用(5%～10%)D的噴丸孔邊距可以有效地避免孔邊緣輪廓的變形；噴丸區(qū)域?qū)挾葹?30%～50)%D時(shí)帶孔板有較好的噴丸成形質(zhì)量。

(3)電流強(qiáng)度對噴丸成形曲率半徑影響較大，對于2 mm厚鋁合金板當(dāng)電流強(qiáng)度大于1.5 A時(shí)可以顯著地提高噴丸成形能力；直徑為3 mm的撞針在噴丸軌跡間距為1.5～2.4 mm時(shí)帶孔板的噴丸成形效果最佳；噴丸軌跡間距過小時(shí)，孔區(qū)域曲率半徑不再進(jìn)一步變小，而且曲率半徑差值顯著增大。

[1]Cadario A,B Alfredsson. Influence of residual stresses from shot peening on fretting fatigue crack growth [J]. Fatigue Fract Engng Mater Struct, 2000,30：947-963.

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(編輯譚弘穎)

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Study on ultrasonic peen forming of perforated plate

CHENG Qiuyun①②,ZHANG Mitao②,WU Deyi①②,LI Ming②

(①Forty-eighth Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Changsha 410111，CHN; ②Hunan Red Sun Photoelectricity Science and Technology Co.,Ltd.，Changsha 410205，CHN)

In order to explore the single curvature peen forming effect of ultrasonic peen forming technique for perforated plate aluminum alloy, the paper studied the forming curvature radius and forming defect of peen formed perforated plate, analyzed peen forming characteristics of perforated plate;built the peen forming quality assessment system of perforated plate;and discussed the influences of shot-peening process parameters on peen forming quality of perforated plate. The result showed that the existence of holes made the residual pressure stress around the perforated plate release to some extent, and resulted in curvature radius in hole area to enlarge; the adoption of shot-peened hole edge distance of( 5%～10%)d could efficiently avoid the deformation at edge contour of hole, the current strength over 1.5A could apparently improve the peen formability, and the best peen forming effect could be realized for perforated plate by using 3mm striking pin and when shot-peening track gap was 1.5～2.4mm.

peen parameter;residual stress;curvature radius;hole edge distance;shot-peening area width;current strength

TH142.2

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.025

2015-12-15)

160641